Warum Ge und Si durch Ionenimplantation zu Supraleitern werden

Es konnte gezeigt werden, dass neben Diamant auch die technologisch relevanten Gruppe-IV-Halbleiter Si und Ge im extrem hochdotierten Zustand supraleitend werden. Am Helmholtz – Zentrum Dresden – Rossendorf ist es erstmalig gelungen, supraleitfähige Ge-Schichten in einem zu Fertigungsverfahren der Mikroelektronik kompatiblen Dotierprozess, bestehend aus Ga-Ionenimplantation und Kurzzeitausheilung, herzustellen. Die hochdotierten Ge-Schichten zeigen intrinsische Supraleitung mit kritischen Temperaturen bis zu 1 K. Eine weitere Erhöhung der Dotierkonzentration und damit der kritischen Temperatur ist aufgrund der begrenzten Löslichkeit von Ga in Ge (1 at.%) sehr schwierig. Um dennoch höhere Sprungtemperaturen zu erreichen, wurden die geringe Löslichkeit von Ga in Si (0.1 at.%) sowie die supraleitenden Eigenschaften von Ga ausgenutzt. In Ga implantiertem Si bilden sich Ausscheidungen, wodurch vergrabene, extrinsisch supraleitende Ga reiche Schichten hergestellt werden können. Die kritische Temperatur ist mit 7 K deutlich höher als in dotiertem Ge.
Die Struktur der Proben wurde mit Rutherford Rückstreuspektrometrie (RBS), Transmissionselektronenmikroskopie (TEM) sowie Sekundärionen-Massenspektrometrie (SIMS) untersucht. Für die elektrische Charakterisierung wurden Temperaturen zwischen 100 mK und 400 K sowie Magnetfelder bis 9 T verwendet. Im Vortrag werden die Grundzüge der Dotierung mittels Ionenimplantation sowie die Ergebnisse elektrischer und struktureller Untersuchung beider Materialsysteme vorgestellt.